DE2739715A1

DE2739715A1 - Verfahren zur behandlung von schlammrueckstaenden von erdbohrungen

Info

Publication number: DE2739715A1
Application number: DE19772739715
Authority: DE
Inventors: Michel Guillerme; Bernard Tramier
Original assignee: Societe National Elf Aquitaine
Current assignee: Societe National Elf Aquitaine
Priority date: 1976-09-03
Filing date: 1977-09-02
Publication date: 1978-03-16
Also published as: CA1093473A; NL7709382A; CH624477A5; AU2836277A; NO144819C; ES461920A1; FR2363354A1; DE2739715C2; FR2363354B1; NL188453C; NO772965L; NO144819B; GB1578233A; US4174278A; IT1084519B; BR7705889A

Description

Dr.-lng. Walter Abitz _Dr Dieter F. Morf Dipl.-Phys. M. Grilschneder 8Munchen86,Pienzen3uerstr.28

2. September 1977 3184-B-219

SOCIETE HATIONAIiE EIiF AQUITAINE (PRODUCTION), Courbevoie / Prankreich

Verfahren zur Behandlung von Schlammrückständen von Erdbohrungen.

80981 1/0777

3184-B-219 .

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Schlammrückständen von Erdbohrungen, insbesondere von Bohrungen, die bei der Suche nach Kohlenwasserstoffen durchgeführt werden. Sie betrifft eine teilweise Entwässerungsbehandlung derartiger Schlämme, um ihre Rückführung in die Natur zu ermöglichen.

Führt man Erdbohrungen auf der Suche nach Erdöl- oder Naturgasschichten durch, so müssen relativ grosse Mengen an Schlämmen entfernt werden, die durch die in die Bohrlöcher eingespritzte Flüssigkeit gebildet werden. Diese Schlämme enthalten spezielle bekannte Zusätze, die bei einer derartigen Verfahrensweise verwendet werden, sowie Bodenbestandteile, die insbesondere aus Si, Al, Ca, Mg, Fe usw. zusammengesetzt sind, und verschiedene organische Materialien. Sie unterscheiden sich daher stark von Abwasserschlämmen und können daher nicht nach üblichen Techniken behandelt werden, wie sie gewöhnlich auf letztere angewendet werden.

Tatsächlich sind die Bohrschlämme viskoser, hydrophiler und von einer sehr kolloidalen und thixotropen Struktur. Sie sind hauptsächlich mineralisch und enthalten Kohlenwasserstoffe, wohingegen städtische Abschlämme vor allem organischer Natur sind. In Wüstengegenden gießt man die Bohrschlämme in Vertiefungen oder Bassins unter Bildung von Schlammlöchern. Aufgrund der physikalisch-chemischen Eigenschaften dieser Schlämme verfestigen sich jedoch diese Schlammlöcher niemals vollständig durch natürliche Verdampfung, sondern bilden eine schlammartige Ablagerung, die unter dem Namen "Floc" bekannt ist. Letztere bringt aufgrund ihrer rheologischen Eigenschaften, die sie mit wanderndem Sand vergleichbar machen, die Gefahr des Versinkens für Menschen und Tiere mit sich. Derartige Schlammlöcher können daher nicht in bewohnten Gebieten in der Natur belassen werden. Die bisher empfohlenen bekannten Mittel zur Vermeidung derartiger Schlammlöcher sind mehr oder minder schwierig durchzuführen und kostspielig. Dies trifft besonders auf

809811/0777 - 1 -

3184-B-219 „

den Pall des Transports der Schlammablagerungen zu einer Stelle zu, wo Behandlungen, wie eine Verfestigung oder eine Veraschung durchgeführt werden.

Wegen des sehr hohen Wassergehaltes der in Präge stehenden Schlämme, der 95$ überschreiten kann, in Verbindung mit der kolloidalen Natur dieser Plüssigkeit, wodurch die mechanische Abtrennung von Peststoffen, insbesondere durch Filtrieren oder Zentrifugieren, äusserst erschwert wird, konnte diese Abtrennungsmethode bisher nicht in Betracht gezogen werden. Das Verdienst der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines neuen Verfahrens, das im Gegensatz zum Stand der Technik diese mechanische Abtrennung industriell durchführbar macht.

Das neue Verfahren gemäss der Erfindung besteht darin, zunächst die Bohrschlammrückstände mit einem geeigneten Ausflockungsmittel zu behandeln; anschliessend wird der so behandelte Schlamm einer Piltration oder Zentrifugierung unterzogen.

Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Ausflockungsmittel sind insbesondere Kalk und Eisensalze. Obwohl Calciumhydroxid, Eisen-III-chlorid oder Eisen-II-sulfat an sich hinsichtlich ihrer Ausflockungseigenschaften bekannt sind und zur Entwässerung von städtischen Abschlämmen verwendet werden, wurden sie nicht zur Herstellung eines Schlammes für die Piltration oder Zentrifugierung verwendet. Sie wurden auch nicht zur Behandlung der speziellen Klasse von derart komplizierten Schlämmen, wie denen von Erdölbohrungen, verwendet.

Die erfindungsgemässe Koagulierbehandlung sollte derart durchgeführt werden, dass der Schlamm deutlich alkalisch oder deutlich sauer gemacht wird, d.h. dass relativ grosse Mengen an Ausflockungsmittel verwendet werden sollten;

80981 1/0777 - 2 -

so sind mehr als 5 Gew.-$ dieses Mittels, berechnet bezogen auf die Trockenmaterialien (MS) erforderlich, wobei die bevorzugten Anteile bei etwa 10 bis 30$ liegen.

Gemäss einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ausflockung vor der mechanischen Abtrennung, die gänzlich in alkalischem Milieu durchgeführt wird, ausserdem den Zusatz eines Eisen-III- oder Eisen-II-Salzes. Man stellt dann fest, dass die Filtrierbarkeit des so behandelten Schlammes wesentlich verbessert ist und man erhält bei der Abtrennung durch Filtration oder Zentrifugieren die festen Materialien des Schlammes in einer weniger hydratisierten Form.

In der Ausführungsform der Erfindung, bei der Kalk zusammen mit einem Eisensalz verwendet wird, sollten die Anteile dieser beiden Mittel derart gesteuert werden, dass in dem behandelten Schlamm 0,05 bis 0,35 Äquivalente Eisen pro Äquivalent Ca vorliegen; der bevorzugte Anteil liegt bei 0,1 bis 0,3 Äquivalenten Eisen pro Äquivalent Ca. Auf diese Weise kann keine Neutralisation des Kalks durch doppelte Umsetzung mit dem Eisensalz erfolgen; lediglich ein geringerer Anteil des Kalks geht diese Umsetzung ein.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das vereinte Koagulans von Kalk mit Eisensalz mit einem geringen Anteil eines der organischen Ausflockungsmittel versetzt, die in der Industrie unter der Bezeichnung Polyelektrolyte bekannt sind. Besonders geeignet sind anionische Polyelektrolyte und insbesondere Polyelektrolyte auf der Basis von Polyacrylamiden mit hohem Molekulargewicht, die teilweise hydrolysiert sind, deren Ionisationsgrad 25$ übersteigt. Besonders die Polyacrylamide mit einem Ionisationsgrad über 30$ ergeben gute Resultate bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Besonders vorteilhafte Ergebnisse erhält man mit etwa 0,2 bis 0,4$ eines derartigen anionischen Polyelektrolyten, bezogen auf

80981 1 /0777 - 3 -

3184-B-219 >

das Gewicht der Trockenmaterialien des Schlammes.

Das Ausflockungspräparat zur mechanischen Abtrennung gemäss der Erfindung kann auch durch Zusatz eines der vorstehend angegebenen Mittel, beispielsweise von Kalk oder Eisen-III-chlorid, versetzt mit anionischen Polyelektrolyten bewirkt werden. Jedoch erhält man bessere Ergebnisse mit einem ternären Ausflockungssystem, Kalk + Eisensalz + anionische Polyelektrolyte.■

Bedient man sich zur mechanischen Abtrennung nach der Ausflockung der Filtration, so führt man diese vorzugsweise unter Druck durch, beispielsweise in einer Filterpresse, wobei der Druck 7 bis 15 bar und vorzugsweise 15 bar beträgt. Zentrifugiert man anstelle der Filtration, so kann man verschiedene Arten von an sich bekannten Vorrichtungen mit kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Arbeitsweise, Dekantier- oder Filtrierarbeitsweise, verwenden; eine wesentliche Bedingung liegt jedoch in der Anwendung einer Zentrifugalkraft auf den Schlamm von mindestens 2500 g und vorzugsweise 2900 bis 3500 g.

Die Erfindung wird durch die teilweise Deshydratisierung von Schlämmen einer Erdölbohrung veranschaulicht, wobei die Schlämme folgende Charakter!stika aufweisen:

Aussehen: kolloidale viskose und hydrophile Suspension von schwärzlicher Farbe mit ausgeprägtem Kohlenwasserstoffgeruch; pH-Wert: 7,6, Dichte: 1,1, Gehalt an Feststoffen in Suspension (MS): 55,2 g/l;

die Feststoffe des Schlammes bestehen aus 15$ organischen Materialien und 85% mineralischen bzw. anorganischen Substanzen.

Die chemische Analyse dieser MS ergibt in Prozent:

Glühverlust	21,6	MgO	5,1
SiO₂	52,4	P₂O₅	0,1
Fe₂O₅ + Al₂O₅	0,2	Na₂O	2,1
CaO	15,7	K₂O	1,8

" ⁴ " 809811/0777

3184-B-219 _Q

Es ist ersichtlich, dass dieser Schlamm vorwiegend aus Calcium- und Magnesium-ailicat und -carbonat besteht; seine schwärzliche Färbung stellt ein Indiz für die anaerobe Zersetzung von organischen Substanzen, insbesondere von Kohlenwasserstoffen, dar; er ist von sehr kolloidaler Natur, da seine Bestandteile fein dispergiert und stark hydratisiert sind.

So wie er vorliegt, konnte dieser Schlamm nicht durch Filtrieren entwässert werden, da er sehr erhöhte spezifische FiItrationswiderstände α und Kompressibilitätsfaktoren aufweist. !Datsächlich findet man für α die folgenden Werte in m/kg in Punktion des angewendeten Druckgradienten.

α χ 1(T¹¹

487

830 2500 4183

Der Kompressibilitätsfaktor s beträgt bis zu 0,81.

Die Trockenheitsgrenze, die man bei 7 bar erhält, ausgedrückt als Prozent Trockenmaterial, beträgt 38,8j6.

Die Bestimmungen der Piltrierbarkeit nach dem Zusatz von Kalk, PeCl-.6HpO oder beiden zu dem Schlamm, dessen Charakterist ika vorstehend angegeben sind, führen zu den in der folgenden Tabelle I angegebenen Ergebnissen.

Man führt die Filtrationen unter einem Druck von 7 bar durch.

Der Prozentgehalt an Kalk und Eisen-III-chlorid bezieht sich auf das Gewicht des MS des Schlammes.

Um ein Mass für die Trockenheit der abgetrennten Peststoffe zu geben, sind die MS in Prozent angegeben.

Die Anzahl der Äquivalente an Eisen pro Äquivalent Calcium

" ⁵ " 809811/0777

3184-B-219 ~

ist in der Spalte Äq.Fe/Ca angegeben.

	IH)₂ IbCl₃.6aq.	Tabelle	I	S	% MS
JCa(O	0	Äq.Pe/Ca	α ΙΟ"¹¹	0,75	41,0
10	5	0	930	0,74	41,8
Il	10	0,205	540	0,76	42,6
It	0	0,41	1100	0,69	42,0
15	5	0	760	0,65	43,6
Il	10	0,136	400	0,63	44,5
Il	15	0,272	550	0,76	44,9
Il	0	0,408	750	0,67	43,1
20	5	0	665	0,63	43,8
Il	15	0,103	280	0,59	45,8
Il	0	0,309	260	0,63	43,2
30	5	0	320	0,56	46,8
Il	10	0,0685	320	0,62	46,9
Il	15	0,136	350	0,53	48,2
Il	7,5	0,205	142	0,81	39,3
0	10	-	1100	-	-
Il	15	-	750	0,66	41,4
Il	20	-	500	—	-
Il	30	-	400	0,63	43,3
Il	_	310

Ea ist ersichtlich, dass der Zusatz von Kalk allein sehr wirksam ist, da er den Widerstand α von 4183 χ 10¹¹ auf 930 χ 10¹¹ bei 10$ Kalk und sogar auf 320 χ

A Λ

10 bei 30$ Kalk verringert; jedoch wird durch den gleichzeitigen Zusatz von Eisen-III-chlorid der Widerstand in noch grösseren Proportionen verringert, da man an der Grenze auf 142 χ 10¹¹ für 30% Kalk mit 15% Eisen-III-chlorid kommt. Man stellt jedoch fest, dass von da an ein bestimmter Anteil an FeCl, den Widerstand erneut erhöht, dies ist der Fall bei 15% Kalk mit 15% Eisen-III-chlorid, was 0,408 Äquivalenten Fe pro Äquivalent Ca entspricht. Dies trifft ebenfalls zu, wenn man 10% Kalk mit 10% Eisen-III-

- 6 - 80981 1 /0777

Societe Nationale Elf 3184-B-219

Aquitaine (Production) ΛΟ ' «57007 ic

chlorid verwendet. Aus den Ergebnissen der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, dass man die besten Widerstände, die beste Kompressibilität und Trockenheit für Anteile von 0,1 bis 0,3 Äquivalente Fe pro Äquivalent Ca erhält.

Man kann auch eine gewisse Verbesserung der Filtrierbarkeit erzielen, wenn man zusätzlich zu dem Kalk und einem Eisensalz den Schlämmen 0,15 bis 0,40#, bezogen auf das Gewicht der MS,eines anionischen Polyelektrolyten (insbesondere eines teilweise hydrolysieren Polyacrylamid^, wie es im Handel erhältlich ist) zufügt. Zwar erhöht ein derartiger Zusatz etwas den Kompressibilitätsfaktor, jedoch trägt er dazu bei, den Widerstand Qc zu verringern und die Trockenheit zu verbessern. So wird beispielsweise mit 0,2 % teilweise hydrolysiertem Polyacrylamid, bezogen auf die MS, in Anwesenheit von 15 % Ca(OH)- und 5 % PeCl_x.6aq (fünfte Zeile

^ 11

der Tabelle I) der Widerstand bei 7 bar auf 350 χ 10 verringert und die Trockenheit steigt auf M,2 % an, wohingegen die Kompressibilität s auf 0,85 ansteigt.

Die vorstehenden Beobachtungen wurden in halbindustriellen Versuchen voll bestätigt, bei denen die vorstehend beschriebenen Schlämme in einer Filterpresse mit 8 Platten und Kammern von 300 χ 300 mm bei einer Gesamtfiltrationsfläche

von 1 m behandelt wurden. Dieses Filter wurde aus einem Trog von 150 1 Fassungsvermögen beschickt, in dem der Schlamm mit seinen Zusätzen, Kalk und Eisensalz, zur Ausflockung gerührt bzw. bewegt wurde. Die Beschickung des Filtrats mit dem Schlamm erfolgte mittels einer Kolben-Membran-Pumpe mit hohem Druck, der 15 bar erreichen konnte; der Durchsatz betrug 1 m /Stnd.

Diese halbindustriellen Versuche wurden mit Anteilen von Ausflockungszusätzen von 15 bis 20$, bezogen auf die MS des Schlammes für Kalk und von 5 bis 7$ für Eisen-III-chlorid, durchgeführt. Andere Versuche wurden mit 30$ Kalk und 10 bis 15$ Eisen-II-sulfat, FeSO..7H₂O, durchgeführt.

Man erzielte so Filtrationskapazitäten von 2,5 bis 3

80981 1/0777

- Neue Seite 7 -

I NACHeERElOHT

Die Ausbeute der Abtrennung von unlöslichen Anteilen überschritt 99,5#, das Piltrat ergab weniger als 100 mg suspendiertes Material pro Liter. Das Trockenmaterial des Filterkuchens umfasste 35 bis 38# MS und war leicht handzuhaben.

Die erfindungsgemässe Behandlung der Schlämme wurde auch durch Zentrifugieren nach Zusatz der vorstehend beschriebenen Ausflockungsmittel durchgeführt. Es wurden Versuche mit einer kontinuierlichen Dekantiervorrichtung Guinard D mit voller Schleudertrommel durchgeführt, die einen zylindrischen Teil von 18 cm Durchmesser für die Sedimentierung, verlängert durch einen konischen Teil zum Absaugen des Sediments, aufwies. Die gesamte zylindrisch-konische Einrichtung konnte mit einer steuerbaren Geschwindigkeit von 1500 bis 6500 U/min rotiert werden. Eine Extraktionsschnecke, die sich im Inneren der Schleudertrommel mit einer steuerbaren Geschwindigkeit, die leicht über der der Trommel lag, drehte, sicherte eine kontinuierliche Extraktion des entwässerten Schlammes.

An dem gleichen Schlamm, dessen Charakteristika zu Beginn der vorstehenden Beschreibung angegeben wurden, erhielt man durch Zentrifugieren die in der folgenden Tabelle II angegebenen Ergebnisse.

Der Schlamm wurde zunächst mit 20# Ca(OH)₂.(bezogen auf die MS) und 7% FeCl~«6aq. behandelt und darüberhinaus mit einem gewissen Anteil an anionischen Polyelektrolyten (teilweise hydroIysiertem Polyacrylamid) wie in' der Tabelle II angegeben, versetzt.

- Neue Seite 8 -

80981 1/0777

Umdrehungsgeschwindigkeit U/min

6350
5450
3850
5450

Il Il

Tabelle II

Zen-fcrifu- Einspeisung Polyelektrogierkraft d.Schlamms Iyten in

χ g

4000
2920

1475
2920

Il
Il

Il

ti

kg/MS/Stnd.

O CO OO

21,6

Il Il

33,75

Il Il Il

47,0

Il

MS 0,35

Il Il

0,30 0,25 0,20 0,16 0,40 0,30

Ausbeute

in # MS

99 >99

98,4

85,8 >99 >99

[Trockenheit MS im Sediment

28,5 26,3 21,4 29,2 26,4 24,8 20,1 33,3 30,7

K)

CO CO

cn

3184-B-219

Es ist ersichtlich, dass unter einer Zentrifugierkraft von 1500 g die Entwässerung nicht mehr ausreichend ist und dass die Rolle des anionischen Polyelektrolyten bei dem Zentrifugieren von grosser Bedeutung ist, daee-mit 0,4#/MS dieses Zusatzes eine Trockenheit von 33,3$ MS'erhalten wird, was ein sehr leicht zu handhabendes Produkt darstellt, wohingegen unter 0,2$ dieses Zusatzes der Trockenheitsgrad zu wünschen übriglässt.

Sie Filter- oder Zentrifugierkuchen, die man beim erfindungsgemässen Verfahren erhält, sind - obwohl sie noch viel Wasser enthalten - ausgezeichnet handzuhaben, können leicht transportiert und in Schlammlöchern abgelagert werden. Letztere sind nicht mehr gefährlich, da sie auf die Dauer an der freien Luft verfestigt werden. So können die Schlammlöcher nach dem Abladen von filter- oder Zentrifugierkuchen aufgeschüttet und der Kultur zurückgegeben werden; sie enthalten keinen toxischen Bestandteil.

- 10 -

809811/0777

ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur teilweisen Entwässerung von Schlammrückständen von Erd- bzw. Bodenbohrungen durch Abtrennung des V/assers durch Filtrieren und/oder Zentrifugieren, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schlämme vor der Abtrennung mit einem oder mehreren Ausflockungsmitteln versetzt.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man dem Schlamm als Ausflockungsmittel Kalk oder ein Eisensalz in einer Menge von 5 bis 30/& des Gewichts des Trockenmaterials des Schlamms zufügt.

3. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Schlamm mit Kalk und einer geringeren Menge an Eisensalz versetzt, wobei die Zahl der Äquivalente an Eisen 0,4 pro Äquivalent zugesetztes Calcium nicht überschreitet.

4. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Ausflockungsmittel verwendet, das aus Kalk in einer Menge von mindestens 5$, bezogen auf die Trockenmaterialien des Schlammes, und vorzugsweise von 10 bis 30$, zusammen mit 0,05 bis 0,35 Äquivalenten Eisen und vorzugsweise 0,1 bis 0,3 Äquivalenten Eisen pro Äquivalent Calcium besteht.

5. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schlämme vor der Filtration und/oder dem Zentrifugieren mit einem anionischen organischen Polyelektrolyten, der flockenbildende Eigenschaften aufweist und insbesondere Polyacrylamiden, die teilweise hydrolysiert sind und einen Ionisierungsgrad von über 25?S und vorzugsweise über 30$ aufweisen, versetzt.

- l 80981 1/0777

ORIGINAL INSPECTED

3184-B-219 η

6. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Entwässerung nach der Ausflockung durch Filtrieren unter Druck, insbesondere von 7 his 15 bar und vorzugsweise von 15 bar, durchführt .

7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Entwässerung durch Zentrifugieren durchführt, wobei man den Schlamm einer Zentrifugalkraft von mindestens 2500 g und vorzugsweise von 2800 bis 3500 g aussetzt.

80981 1/0777